معرفی

نور نقش کلیدی در روند رشد گیاهان دارد.این کود بهترین کود برای تقویت جذب کلروفیل گیاه و جذب کیفیت های مختلف رشد گیاه مانند کاروتن است.با این حال، عامل تعیین کننده ای که رشد گیاهان را تعیین می کند، یک عامل جامع است که نه تنها به نور مربوط می شود، بلکه از پیکربندی آب، خاک و کود، شرایط محیط رشد و کنترل فنی جامع نیز جدایی ناپذیر است.

در دو یا سه سال گذشته، گزارش های بی پایانی در مورد استفاده از فناوری روشنایی نیمه هادی در مورد کارخانه های گیاهان سه بعدی یا رشد گیاهان منتشر شده است.اما پس از مطالعه دقیق آن، همیشه احساس ناخوشایندی وجود دارد.به طور کلی، هیچ درک واقعی از نقش نور در رشد گیاه وجود ندارد.

ابتدا بیایید طیف خورشید را همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است درک کنیم. می توان دید که طیف خورشیدی یک طیف پیوسته است که در آن طیف آبی و سبز قوی تر از طیف قرمز هستند و طیف نور مرئی در محدوده ای قرار دارد. 380 تا 780 نانومتررشد موجودات در طبیعت به شدت طیف بستگی دارد.به عنوان مثال، اکثر گیاهان در ناحیه نزدیک استوا بسیار سریع رشد می کنند و در عین حال اندازه رشد آنها نسبتاً بزرگ است.اما شدت بالای تابش خورشید همیشه بهتر نیست و درجه خاصی از گزینش پذیری برای رشد حیوانات و گیاهان وجود دارد.

شکل 1، ویژگی های طیف خورشیدی و طیف نور مرئی آن

ثانیاً، نمودار طیف دوم چندین عنصر جذبی کلیدی رشد گیاه در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2، طیف جذبی چند اکسین در رشد گیاه

از شکل 2 می توان دریافت که طیف جذب نور چندین اکسین کلیدی که بر رشد گیاه تأثیر می گذارند به طور قابل توجهی متفاوت است.بنابراین استفاده از چراغ های LED رشد گیاه امری ساده نیست، بلکه بسیار هدفمند است.در اینجا لازم است مفاهیم دو عنصر مهم رشد گیاه فتوسنتزی معرفی شود.

• کلروفیل

کلروفیل یکی از مهم ترین رنگدانه های مرتبط با فتوسنتز است.در همه موجوداتی که می توانند فتوسنتز ایجاد کنند، از جمله گیاهان سبز، جلبک های سبز آبی پروکاریوتی (سیانوباکتری ها) و جلبک های یوکاریوتی وجود دارد.کلروفیل انرژی نور را جذب می کند و سپس برای تبدیل دی اکسید کربن به کربوهیدرات استفاده می شود.

کلروفیل a عمدتاً نور قرمز را جذب می کند و کلروفیل b عمدتاً نور آبی مایل به بنفش را جذب می کند تا گیاهان سایه دار را از گیاهان خورشیدی متمایز کند.نسبت کلروفیل b به کلروفیل a در گیاهان سایه دار کوچک است، بنابراین گیاهان سایه دار می توانند از نور آبی به شدت استفاده کنند و با رشد در سایه سازگار شوند.کلروفیل a سبز آبی و کلروفیل b زرد مایل به سبز است.دو جذب قوی از کلروفیل a و کلروفیل b وجود دارد، یکی در ناحیه قرمز با طول موج 630-680 نانومتر و دیگری در ناحیه آبی-بنفش با طول موج 400-460 نانومتر.

• کاروتنوئیدها

کاروتنوئیدها اصطلاح کلی برای دسته ای از رنگدانه های طبیعی مهم هستند که معمولاً در رنگدانه های زرد، نارنجی-قرمز یا قرمز در حیوانات، گیاهان عالی، قارچ ها و جلبک ها یافت می شوند.تاکنون بیش از 600 کاروتنوئید طبیعی کشف شده است.

جذب نور کاروتنوئیدها محدوده OD303 ~ 505 نانومتر را پوشش می دهد که رنگ غذا را فراهم می کند و بر دریافت غذا توسط بدن تأثیر می گذارد.در جلبک ها، گیاهان و میکروارگانیسم ها رنگ آن توسط کلروفیل پوشانده شده و ظاهر نمی شود.در سلول‌های گیاهی، کاروتنوئیدهای تولید شده نه تنها انرژی را برای کمک به فتوسنتز جذب و انتقال می‌دهند، بلکه عملکرد محافظت از سلول‌ها را در برابر تخریب توسط مولکول‌های اکسیژن پیوند تک‌الکترونی برانگیخته دارند.

برخی سوء تفاهمات مفهومی

صرف نظر از اثر صرفه جویی در انرژی، انتخاب نور و هماهنگی نور، روشنایی نیمه هادی مزایای زیادی را نشان داده است.با این حال، از توسعه سریع دو سال گذشته، ما نیز شاهد سوء تفاهم های زیادی در طراحی و کاربرد نور بودیم که عمدتاً در جنبه های زیر منعکس می شود.

①تا زمانی که تراشه های قرمز و آبی با طول موج معین در یک نسبت معین با هم ترکیب شوند، می توان از آنها در کشت گیاهان استفاده کرد، به عنوان مثال، نسبت قرمز به آبی 4:1، 6:1، 9:1 و غیره است. بر.

②تا زمانی که نور سفید باشد، می تواند جایگزین نور خورشید شود، مانند لوله نور سفید سه اولیه که در ژاپن به طور گسترده استفاده می شود و غیره، استفاده از این طیف ها تأثیر خاصی بر رشد گیاهان دارد، اما اثر آن به خوبی منبع نور ساخته شده توسط LED نیست.

③ تا زمانی که PPFD (چگالی شار کوانتومی نور)، یک پارامتر مهم روشنایی، به یک شاخص خاص برسد، برای مثال، PPFD بیشتر از 200 میکرومول در m-2·s-1 است.با این حال، هنگام استفاده از این نشانگر، باید توجه داشته باشید که آیا این گیاه سایه دار است یا گیاه آفتاب.باید نقطه اشباع جبران نور این گیاهان را پرس و جو کنید یا آن را پیدا کنید که به آن نقطه جبران نور نیز می گویند.در کاربردهای واقعی، نهال ها اغلب سوخته یا پژمرده می شوند.بنابراین طراحی این پارامتر باید با توجه به گونه گیاهی، محیط رشد و شرایط طراحی شود.

با توجه به جنبه اول، همانطور که در مقدمه معرفی شد، طیف مورد نیاز برای رشد گیاه باید یک طیف پیوسته با عرض توزیع معین باشد.بدیهی است که استفاده از منبع نور ساخته شده از دو تراشه با طول موج مشخص قرمز و آبی با طیف بسیار باریک (همانطور که در شکل 3 (a) نشان داده شده است) نامناسب است.در آزمایش‌ها مشخص شد که گیاهان مایل به زرد، ساقه‌های برگ بسیار سبک و ساقه‌های برگ بسیار نازک هستند.

برای لوله‌های فلورسنت با سه رنگ اصلی که معمولاً در سال‌های گذشته استفاده می‌شد، اگرچه رنگ سفید سنتز می‌شود، طیف‌های قرمز، سبز و آبی از هم جدا می‌شوند (همانطور که در شکل 3 (b) نشان داده شده است)، و عرض طیف بسیار باریک است.شدت طیفی قسمت پیوسته زیر نسبتاً ضعیف است و قدرت آن در مقایسه با LED ها هنوز نسبتاً زیاد است و 1.5 تا 3 برابر مصرف انرژی است.بنابراین، اثر استفاده به خوبی چراغ های LED نیست.

شکل 3، نور گیاهی LED تراشه قرمز و آبی و طیف نور فلورسنت سه رنگ اصلی

PPFD چگالی شار کوانتومی نور است که به چگالی شار نور تابشی موثر نور در فتوسنتز اشاره دارد که نشان‌دهنده تعداد کل کوانتوم‌های نوری است که روی ساقه‌های برگ گیاهان در محدوده طول موج 400 تا 700 نانومتر در واحد زمان و واحد سطح فرو می‌روند. .واحد آن μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1) است.تابش فعال فتوسنتزی (PAR) به کل تابش خورشیدی با طول موج در محدوده 400 تا 700 نانومتر اشاره دارد.می توان آن را با کوانتوم های نور یا با انرژی تابشی بیان کرد.

در گذشته، شدت نور منعکس شده توسط روشنایی سنج، روشنایی بود، اما طیف رشد گیاه به دلیل ارتفاع نورگیر از گیاه، پوشش نور و اینکه آیا نور می تواند از برگ ها عبور کند تغییر می کند.بنابراین، استفاده از par به عنوان شاخص شدت نور در مطالعه فتوسنتز دقیق نیست.

به طور کلی، مکانیسم فتوسنتز را می توان زمانی شروع کرد که PPFD گیاه خورشید دوست بزرگتر از 50 میکرومول در متر مربع باشد، در حالی که PPFD گیاه سایه دار تنها به 20 میکرومول در مترمربع 2· s-1 نیاز دارد. .بنابراین، هنگام خرید چراغ رشد LED، می توانید بر اساس این مقدار مرجع و نوع گیاهانی که می کارید، تعداد چراغ های رشد LED را انتخاب کنید.به عنوان مثال، اگر PPFD یک LED lght 20 μmol·m-2·s-1 باشد، برای رشد گیاهان آفتاب دوست به بیش از 3 لامپ LED گیاهی نیاز است.

چندین راه حل طراحی روشنایی نیمه هادی

روشنایی نیمه هادی برای رشد یا کاشت گیاه استفاده می شود و دو روش مرجع اساسی وجود دارد.

• در حال حاضر مدل کاشت سرپوشیده در چین بسیار گرم است.این مدل چندین ویژگی دارد:

①نقش چراغ های LED ارائه طیف کامل روشنایی گیاهی است و سیستم روشنایی برای تامین تمام انرژی روشنایی مورد نیاز است و هزینه تولید نسبتاً بالا است.
②طراحی چراغ های رشد LED نیاز به در نظر گرفتن تداوم و یکپارچگی طیف دارد.
③کنترل موثر زمان روشنایی و شدت نور ضروری است، مانند اجازه دادن به گیاهان برای چند ساعت استراحت، شدت تابش کافی یا خیلی قوی نیست و غیره.
④کل فرآیند نیاز به تقلید از شرایط مورد نیاز محیط رشد بهینه واقعی گیاهان در خارج از منزل، مانند رطوبت، دما و غلظت CO2 دارد.

• حالت کاشت در فضای باز با فونداسیون خوب کاشت گلخانه در فضای باز.ویژگی های این مدل عبارتند از:

①نقش چراغ های LED تکمیل نور است.یکی افزایش شدت نور در نواحی آبی و قرمز زیر تابش نور خورشید در طول روز برای ارتقای فتوسنتز گیاهان و دیگری جبران زمانی که نور خورشید در شب وجود ندارد تا سرعت رشد گیاه را افزایش دهد.
②نور تکمیلی باید در نظر بگیرد که گیاه در کدام مرحله رشد است، مانند دوره نهال یا دوره گلدهی و باردهی.

بنابراین، طراحی چراغ‌های LED رشد گیاه باید ابتدا دارای دو حالت طراحی اصلی، یعنی روشنایی 24 ساعته (داخلی) و نورپردازی مکمل رشد گیاه (در فضای باز) باشد.برای کشت گیاهان داخلی، طراحی چراغ های رشد LED باید سه جنبه را در نظر بگیرد، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. بسته بندی چیپس ها با سه رنگ اصلی به نسبت مشخص ممکن نیست.

شکل 4، ایده طراحی استفاده از چراغ های ال ای دی تقویت کننده گیاهان داخلی برای روشنایی 24 ساعته

به عنوان مثال برای یک طیف در مرحله نهالستان با توجه به اینکه نیاز به تقویت رشد ریشه و ساقه، تقویت انشعاب برگها و استفاده از منبع نور در محیط داخلی دارد، می توان طیف را مطابق شکل 5 طراحی کرد.

شکل 5، ساختارهای طیفی مناسب برای دوره مهدکودک داخلی LED

برای طراحی نوع دوم چراغ رشد LED، عمدتا در راه حل طراحی مکمل نور برای ترویج کاشت در پایه گلخانه در فضای باز است.ایده طراحی در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6، ایده های طراحی چراغ های رشد در فضای باز 

نویسنده پیشنهاد می کند که شرکت های کاشت بیشتر گزینه دوم را برای استفاده از چراغ های LED برای ترویج رشد گیاه اتخاذ کنند.

اول از همه، کشت گلخانه‌ای در فضای باز چین دهه‌ها مقدار زیادی و تجربه گسترده‌ای دارد، هم در جنوب و هم در شمال.پایه خوبی از فناوری کشت گلخانه ای دارد و تعداد زیادی میوه و سبزیجات تازه را در بازار شهرهای اطراف فراهم می کند.به ویژه در زمینه کاشت خاک و آب و کود، نتایج تحقیقاتی غنی حاصل شده است.

ثانیاً، این نوع محلول نور مکمل می تواند مصرف غیر ضروری انرژی را تا حد زیادی کاهش دهد و در عین حال می تواند عملکرد میوه ها و سبزیجات را به طور موثر افزایش دهد.علاوه بر این، منطقه جغرافیایی وسیع چین برای تبلیغ بسیار مناسب است.

به عنوان تحقیقات علمی روشنایی گیاهان LED، پایه آزمایشی گسترده تری را برای آن فراهم می کند.شکل 7 نوعی چراغ رشد LED است که توسط این تیم تحقیقاتی ساخته شده است که برای کشت در گلخانه مناسب است و طیف آن در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 7، نوعی چراغ رشد LED

شکل 8، طیف نوعی از LED رشد نور

با توجه به ایده های طراحی فوق، تیم تحقیقاتی مجموعه ای از آزمایش ها را انجام دادند و نتایج تجربی بسیار قابل توجه است.به عنوان مثال، برای نور رشد در دوران مهد کودک، لامپ اصلی مورد استفاده یک لامپ فلورسنت با توان 32 وات و چرخه مهد کودک 40 روز است.ما یک چراغ LED 12 وات ارائه می دهیم که چرخه نهال را به 30 روز کوتاه می کند، به طور موثر تأثیر دمای لامپ ها را در کارگاه نهال کاهش می دهد و در مصرف برق کولر گازی صرفه جویی می کند.ضخامت، طول و رنگ نهال بهتر از محلول اصلی پرورش نهال است.برای نهال سبزیجات معمولی نیز نتایج تأیید خوبی به دست آمده است که در جدول زیر خلاصه شده است.

در میان آنها، گروه نور مکمل PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1، و نسبت قرمز-آبی: 0.6-0.7.محدوده مقدار PPFD در روز گروه طبیعی 40 ~ 800 μmol·m-2·s-1 بود و نسبت قرمز به آبی 0.6~1.2 بود.مشاهده می شود که شاخص های فوق بهتر از نهال های رشد یافته طبیعی است.

نتیجه

این مقاله به معرفی آخرین پیشرفت‌ها در کاربرد چراغ‌های رشد LED در کشت گیاهان می‌پردازد و به برخی سوءتفاهمات در کاربرد چراغ رشد LED در پرورش گیاه اشاره می‌کند.در نهایت، ایده‌ها و طرح‌های فنی برای توسعه چراغ‌های رشد LED مورد استفاده برای کشت گیاهان معرفی می‌شوند.لازم به ذکر است که در نصب و استفاده از نور عواملی نیز باید در نظر گرفته شود که از جمله آنها می توان به فاصله نور تا گیاه، محدوده تابش لامپ و نحوه استفاده از نور با آن اشاره کرد. آب معمولی، کود و خاک.

نویسنده: یی وانگ و همکارانمنبع: CNKI